软玻璃体材料的非Arrhenius行为及其微观结构变化的实验研究

This proposal presents a cutting-edge project of physics of the non-equilibrium complex system, aiming to employ the experiment, modeling, simulation and theoretical analysis to study the microstructure evolution of Soft Glassy Materials (SGMs) during their non-Arrhenius relaxation process, thus to provide the understanding of the mechanism of the non-Arrhenius behavior in SGMs. The proposed work will use the shear-wave-propagation technique based on the home-built viscoelastic spectrometer, and a multi-functional dielectric spectroscopy combined with the spectrophotometry technique, to simultaneously detect the mechanical and dielectric relaxation behaviors and the in-real-time changes of the microstructure of SGMs when approaching glass transition. The relation between the micrustructure evolution of SGMs and the thermodynamic and kinetic properties of non-Arrhenius relaxation, the “fragility” properties and.the critical-like behavior will be investigated. The molecular dynamics simulations and theoretical analysis based on the thermodynamic statistical model, the kinetics theory of polymer and the scaling theory, will be carried out to provide the supplement and verification for the experiments, and to predict the more complex dynamic behavior possibly occuring during the non-Arrhenius relaxation process. Finally, a suitable physical model will be established. This study will not only provide a significant insight into both mechanisms of the glass transition and the non-Arrhenius behavior, but also create the scientific guidance and basis for designing special amorphous materials.

本项目属于非平衡态复杂体系物理学中的前沿性课题，旨在通过实验、建模、仿真和理论分析来研究软玻璃体系非Arrhenius弛豫过程中材料内部微观结构演化的规律，从而达到理解软玻璃体系非Arrhenius行为机理的目的。研究内容包括应用（基于切变波传播法的）液体粘弹扭摆仪和（分光光度法相结合的）液体介电谱仪测量软玻璃体系趋向玻璃转变点的结构弛豫，并实时观测材料内部微观结构变化，研究非Arrhenius过程中材料内部结构演化的特征和统计性质，从而了解软玻璃体系非Arrhenius行为的热动力学特性、“脆性”、类临界行为与材料内部结构演化的关系。基于热力学统计理论、高分子动力学理论和液体标度理论的理论分析和分子动力学模拟将用于辅助和验证实验，并预测可能存在的复杂动力学行为，从而建立适合的物理模型。本课题研究能为玻璃转变和非Arrhenius行为的机理提供新的认识，和为特殊非晶材料的设计提供科学指导。

玻璃态材料的非Arrhenius行为是认识玻璃化转变和非晶本质的关键，但是，至今为止玻璃化转变及其非Arrhenius行为的机理依然模糊，以及非Arrhenius行为与材料内部微观结构的关系仍然不清楚。本项目旨在通过实验、建模、仿真和理论分析来研究玻璃态材料非Arrhenius弛豫过程中材料内部微观结构演化的规律，从而达到理解玻璃态材料非Arrhenius行为机理的目的。研究内容包括 1) 在实验测量方法改进方面： 开发和完善新型粘弹扭摆仪，实现采用扭摆力学手段探测玻璃材料玻璃化转变点力学特性，并结合新型液体介电谱仪实验技术，实现测量液体的宽频段（10-2-106 Hz）弛豫特性和玻璃化转变点附近材料内部微观结构变化；2）玻璃态材料力学结构弛豫表征方面：以甘油-水混合物、硅油-水乳状液、溶菌酶蛋白质、聚合物材料和硅基玻璃为研究对象，测量玻璃化转变点附近材料内部微观结构变化和弛豫行为，从而研究非Arrhenius过程中材料内部结构演化的特征和统计性质，从而了解软玻璃体系非Arrhenius行为的热动力学特性、“脆性”、类临界行为与材料内部结构演化的关系；3）理论和模拟方面：开展相应的分子动力学模拟，同时基于模态耦合理论、组态熵损耗理论和相关数学物理方法，建立能够描述玻璃态材料趋向玻璃化转变点附近的奇异结构扩散和热传导行为的扩散方程（或热传导方程），从而建立适合的数学和物理模型。相关研究工作发表在国内外杂志，包括<<中国科学>>、<<Material Research Innovations>>等，并申请了若干发明和使用新型专利，具有重要的科学和经济效益。

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